科学家揭示镍基高温超导结构起源，同时提供零电阻和抗磁性的证据

从 2013 年到北京科技大学读本科，到如今在中国科学院物理研究所完成硕博连读和博士后研究，在北京市海淀区的方圆几公里间 31 岁的王宁宁研究物理学已有 11 年。

而在几周前他所发表的一篇一作 Nature 论文，不仅是其个人科研生涯的高峰之一，也彰显了中国科学家在超导领域的实力。

图 | 王宁宁（来源：王宁宁）

研究中，王宁宁等人揭示了镍酸盐中高温超导电性的结构起源，并为镍酸盐的进一步优化设计与合成提供了重要指导作用。

这将推动镍基高温超导材料的发展，也让朝着在常压环境下实现镍基高温超导及其潜在应用的目标迈出了关键一小步。

审稿人表示：“据我所知，这是首个同时提供零电阻和抗磁性证据的研究报道，表明双层镍酸盐具有块体高温超导电性。

这项工作的其中一个重要发现在于揭示了不同 Ruddlesden-Popper 相的共生对于实现块体高温超导性是有害的，而这一点此前在该领域之内处于被忽视的状态。”

这位审稿人继续表示：“我认为这些结果澄清了当前的谜团，或者至少为 La3Ni2O7 样品在压力下表现出丝状高温超导电性的起源提供了合理的解释。

这项研究传递的信息令人鼓舞，并且在优化双层镍酸盐的超导性质方面具有迫切需要。”

（来源：王宁宁）

揭示镍酸盐中高温超导电性的结构起源

据介绍，高温超导体因其在能源传输、量子计算和强磁场应用等领域的广泛应用前景而备受关注。寻找新的高温超导材料体系及揭示其物理机制一直是超导领域的重要研究方向。

2023 年，科学家发现 La3Ni2O7 单晶在高压下表现出约 80K 的高温超导特征，为高温超导领域的研究注入了新的活力。

随后，科学家在 La3Ni2O7 体系中成功观察到零电阻态，但关于其完全抗磁性的实验证据仍然缺乏。

实验研究还表明，La3Ni2O7 单晶样品稳定生长的氧压范围很窄，容易出现化学组分不均匀、内顶角氧空位以及多种镍氧化物共存等问题。

这些因素让学术界对 La3Ni2O7 中高温超导电性的结构起源，以及该体系是否能实现体超导态等核心科学问题存在争议，以至于严重阻碍了镍基高温超导体的研究进程。

因此，本次研究旨在揭示镍酸盐中高温超导电性的结构起源，并优化样品以实现体超导态，从而推动该领域的发展。

除了解决上述关键科学问题外，他们还发现不同镍氧化物相的交织共生，对于实现双层镍酸盐中的块体高温超导电性具有不利影响。

本次研究指出：通过用离子半径较小的稀土元素部分替代镧元素，可以有效地稳定双层镍酸盐结构，从而有助于制备高品质的单相样品。

此前，从实验上获得单相的双层镍酸盐结构的单晶样品仍然面临很大挑战，但是本次研究则在一定程度上解决了上述问题。

即便论文发慢点，也要对研究负责到底

整个研究全程主要分为三个关键环节，每一步都紧密相连，既蕴含着必然的思维碰撞，也有意想不到的发现。

首先，他们选择多晶样品作为研究对象。

制定这个决策并非偶然，王宁宁所在团队此前曾参与镍氧化物高温超导的原始发现工作，并且是国际上最早注意到 La3Ni2O7 单晶样品存在化学组分不均匀以及多种镍氧化物共存等问题的研究团队之一。

意识到目前很难解决单晶样品中的这些问题之后，他们将研究思路转向更易于调控晶体质量和氧含量的多晶样品。

其次，他们非常重视样品的微观结构表征。

在合成一系列的镨（Pr）掺杂的 La3-xPrxNi2O7-d(0£ x £ 1.0) 多晶样品后，他们不仅采用传统的粉末 X 射线、扫描电镜、能量色散 X 射线光谱和热重分析来表征样品的晶体结构、元素分布和氧含量，还利用中子衍射、高分辨透射电镜和核四极矩共振等多种先进手段对样品的微观结构进行了深入的研究。

借此发现镨掺杂 1/3 比例的 La2PrNi2O7 多晶样品的具有最佳的单相性，于是他们选择这一样品作为主要研究对象。

最后，他们采用大腔体立方六面砧和多级压砧技术作为测试手段。

这两种高压测试技术能在最大程度上保证压力的各向同性和均匀性，从而可以有效克服镍基超导材料对非静水压环境异常敏感而无法实现零电阻的难题。

同时，这两种高压测试技术能够提供较大的样品腔环境，从而能够方便地开展高压交流磁化率测量，通过此研究人员发现了体超导的关键实验证据，进而揭示了镍基高温超导的结构起源。

据王宁宁介绍，研究中他和合作者先是获得了镨掺杂样品的高压电输运数据，发现其超导转变宽度显著优于母体样品。大家看到以后都兴奋不已，认为这个样品有希望实现完全抗磁性。

然而，当他们测试了样品在 15 万个大气压条件下的交流磁化率时，结果却令他们失望，所观察到的超导体积分数仍然很小。

尽管此时零电阻温度已达到接近 40 开尔文，不过这个结果远低于他们的预期，这让他们对于这种样品能否实现体超导态产生了怀疑。

而由于该领域的竞争非常激烈，因此他们开始考虑是否要迅速将已测试的数据整理成为论文并发表。

但是，担任本次论文通讯作者的中国科学院物理研究所程金光研究员意识到：实验上观察到的抗磁信号不明显，应该是测试压力不够所致。

基于此，程金光坚持认为应该将测试的压力扩展到更高的范围。

在程金光的建议之下，王宁宁等人采用多级压砧技术，将测试的压力范围提高到 20 万个大气压范围。这一努力最终促使他们在更高压力条件下观测到了体超导存在的关键实验证据。

“这让我深刻体会到，科学研究必须秉持追根问底的精神。这不仅是对自身研究的负责，以防止发布错误的结论，更是对每一个重要发现机会的珍视。”王宁宁表示。

日前，相关论文以《La2PrNi2O7 高压四方相中实现块体高温超导电性》（Bulk high-temperature superconductivity in pressurized tetragonal La2PrNi2O7）为题发在 Nature[1]。

中国科学院物理研究所的王宁宁博士、博士生王罡、博士生侯钧，以及日本东京大学物性研究所特任研究员沈晓玲（现为上海交通大学博士后）是共同一作。

中国科学院物理研究所程金光研究员、王宁宁博士、周睿研究员以及日本东京大学物性研究所上床美也（Uwatoko Yoshiya）教授担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature）

总的来说，本次研究表明，使用离子半径较小的镨元素部分替代镧（La）元素，可以有效稳定双层镍酸盐结构，从而有助于制备高品质的单相样品。

不过，本次研究主要基于多晶样品，下一步他们将尝试生长高质量的纯相单晶样品或单晶薄膜，以获取更多关于材料内部相互作用和超导电性的信息，为揭示该体系的超导机理做出贡献。

此外，通过对比不同稀土掺杂样品与母体样品，他们发现镧位置平均离子半径的增大，能够降低该体系在施加压力时发生结构相变并超导的临界压力。

因此，未来他们希望通过采用离子半径较大的碱土金属元素替代镧，或通过薄膜外延应变工程调控晶格参数等方式，以促进该体系在常压环境下实现超导以及提高超导转变温度，从而为高温超导机理的深入探讨提供更多线索。

参考资料：

1.Wang, N., Wang, G., Shen, X.et al. Bulk high-temperature superconductivity in pressurized tetragonalLa2PrNi2O7. Nature 634, 579–584 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07996-8

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